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Diseñando el futuro con cajas de titanio impresas en 3D para el Apple Watch
Todo comenzó con una idea alocada: ¿y si la impresión 3D, históricamente usada para crear prototipos, fuera aprovechada para producir millones de carcasas idénticas, según los estándares exactos de diseño de Apple, con un metal reciclado de alta calidad?
“No era sólo una idea: era una idea que quería convertirse en realidad”, comentó Kate Bergeron, vicepresidenta de Product Design de Apple. “Una vez formulada la pregunta, nos pusimos inmediatamente a trabajar para probarla. Teníamos que demostrar, mediante el prototipado constante, la optimización del proceso y la recolección de una cantidad de datos impresionante, que esa tecnología era capaz de cumplir con el alto estándar de calidad que exigimos”.
Este año, todas las cajas del Apple Watch Ultra 3 y las cajas de titanio del Apple Watch Series 11 se imprimen en 3D con polvo de titanio de calidad aeroespacial 100% reciclado, una hazaña que anteriormente ni siquiera se consideraba posible a gran escala. Cada equipo de Apple se alineó detrás de esa ambición compartida. El acabado espejado del Series 11 debía ser impoluto. El Apple Watch Ultra 3 debía mantener su diseño duradero y ligero para cumplir con las exigencias de quienes se aventuran en lo desconocido todos los días. Ambos modelos también tenían que ser mejores para el planeta sin comprometer el rendimiento y contener materiales de igual o mejor calidad.
“En Apple, todos los equipos consideran que el medio ambiente es un valor fundamental”, comentó Sarah Chandler, vicepresidenta de Environment y Supply Chain Innovation de Apple. “Sabíamos que la impresión 3D era una tecnología con mucho potencial en cuanto a la eficiencia del material, que es esencial para cumplir con el plan Apple 2030”.
Apple 2030 es el ambicioso objetivo de la empresa de ser neutra en carbono en todas sus operaciones para finales de esta década, incluidos la cadena de suministro y el ciclo de vida útil de los productos. Toda la electricidad que se usa para fabricar el Apple Watch ya proviene de fuentes de energía renovable, como eólica y solar.
Mediante el proceso aditivo de la impresión 3D, se imprime capa por capa hasta lograr un objeto lo más cercano posible a la forma original deseada. Históricamente, el forjado mecánico de piezas ha sido sustractivo. En consecuencia, exige grandes cantidades de material que se va recortando. Este cambio permite que las cajas del Apple Watch Ultra 3 y las cajas de titanio del Series 11 usen sólo la mitad de materia prima en comparación con las generaciones anteriores.
“Una reducción del 50% es un logro impresionante: se obtienen dos relojes a partir de la misma cantidad de material utilizada para fabricar uno”, explica Chandler. “Si se considera todo el material ahorrado, el beneficio para el planeta es enorme”.
En total, Apple estima que, sólo este año, se ahorrarán más de 400 toneladas de titanio crudo gracias a este nuevo proceso.
En la última década, Apple ha estado experimentando con la impresión 3D mientras la propia industria recién estaba dando sus primeros pasos. En laboratorios médicos, los doctores usaban los primeros órganos artificiales y prótesis impresos en 3D, e incluso más allá de la atmósfera terrestre, los astronautas descubrían la velocidad y facilidad de uso de herramientas esenciales impresas en 3D trabajando a bordo de la Estación Espacial Internacional.
“Hemos sido testigos de la evolución de esta tecnología a lo largo del tiempo y hemos visto cómo sus prototipos se han convertido en fieles representantes de nuestros diseños”, comentó el Dr. J Manjunathaiah, director sénior de Manufacturing Design for Apple Watch and Vision de Apple. “Siempre hemos tenido la intención de usar una cantidad menor de material para fabricar nuestros productos. Anteriormente, no habíamos podido fabricar piezas estéticas a gran escala usando la impresión 3D. Por eso, empezamos a experimentar con la impresión 3D en metal para fabricar esas piezas”.
Para Apple, el funcionamiento, la belleza y la durabilidad son la gran apuesta. A eso se suma la posibilidad de fabricación a gran escala, junto con pruebas de confiabilidad rigurosas, rendimiento e incluso avances en el ámbito de la ciencia de los materiales, garantizando que Apple siga acercándose a sus metas de descarbonización para 2030.
Vistas desde arriba, las filas de bloques se erigen desde la base como blancos rascacielos hechos con Legos, zumbando día y noche. Son las impresoras 3D que trabajan duro para fabricar las cajas de titanio para el Apple Watch Ultra 3 y el Series 11.
Cada una tiene un galvanómetro con seis láseres que funcionan al mismo tiempo para construir capa tras capa, más de 900 veces, hasta lograr una única caja. Pero incluso antes de que las impresoras empiecen a trabajar, el titanio crudo debe convertirse en polvo, un proceso que requiere ajustar su contenido de oxígeno para reducir las cualidades del titanio que son explosivas al exponerse al calor.
“Esto exigió una verdadera ciencia de los materiales de última generación”, comentó Bergeron.
“El polvo debía tener 50 micrones de diámetro, una medida similar a la de un grano de arena muy fina”, explicó Manjunathaiah. “Al tocarla con un láser, se comporta de manera diferente según tenga o no oxígeno, así que tuvimos que descifrar cómo mantener el contenido de oxígeno en un nivel bajo”.
“Ajustar ese grosor para que cada capa tuviera exactamente 60 micrones de espesor significaba pulir el polvo de forma minuciosa”, agregó Bergeron. “Tuvimos que hacerlo lo más rápido posible para que fuera escalable, pero también lo suficientemente despacio como para no perder precisión. Eso nos permitió ser eficientes sin dejar de cumplir con los objetivos de diseño”.
Cuando las impresoras terminan de hacer su trabajo, un operador aspira el polvo excedente de la placa de fabricación mediante un proceso de eliminación gruesa del polvo residual. Como las figuras se imprimen hasta alcanzar la forma más cercana posible al modelo definitivo, con todas las ranuras y conexiones necesarias en la carcasa, puede quedar polvo alojado en los huecos y hendijas de las cajas. Un batidor ultrasónico garantiza que el polvo sobrante se elimine durante la etapa de eliminación fina del polvo.
Durante el proceso de separación, un alambre fino y electrificado separa cada caja, mientras se va aplicando un refrigerante líquido para reducir el calor producido por el proceso de corte. Luego, un sistema de inspección óptica automatizado mide cada caja para verificar que sus dimensiones y aspecto sean adecuados. Este es el control de calidad final para asegurarse de que las cajas están listas para el procesamiento final.
“Los ingenieros mecánicos tienen que ser los mejores jugadores de rompecabezas del mundo”, comentó Bergeron. “Ellos son los que logran hacer entrar la placa de circuito, la pantalla, la batería, todo lo que va dentro de la caja en el ensamblado final. Durante el proceso, vamos haciendo pruebas para asegurarnos de que el reloj funciona. Luego, agregamos el software y lo ejecutamos durante un periodo de tiempo para verificar que el funcionamiento cumpla con nuestros requisitos”.
Otra mejora clave de diseño en la impresión 3D: imprimir texturas en lugares que históricamente eran inaccesibles en el proceso de forjado. En el caso del Apple Watch, esto significó poder mejorar la resistencia al agua del gabinete que contiene la antena en los modelos con conexión celular. Dentro de la caja, los modelos con conexión celular tienen una división de plástico para permitir el funcionamiento de la antena. Imprimir en 3D una textura específica para la superficie interior del metal le permitió a Apple unir mejor el plástico con el metal.
Juntar todas las piezas del rompecabezas implicó un recorrido que duró varios años y que comenzó con una serie de demostraciones y pruebas de concepto para ajustar la receta, desde la composición específica de la aleación hasta el proceso mismo de impresión. Luego de probarlo a mucha menor escala en generaciones anteriores del producto, el equipo supo que era capaz de resolver los desafíos particulares de trabajar con titanio.
“Siempre intentamos dar esos pasos progresivos que nos permitan dar el siguiente paso”, señaló Bergeron. “Eso es lo que ahora nos ha dado la oportunidad de disponer de una mayor flexibilidad de diseño que la que teníamos antes. Ahora que hemos logrado este avance a gran escala de forma verdaderamente sostenible, con el nivel estético y estructural que necesitamos, las posibilidades son infinitas”.
La flexibilidad de diseño hizo posible otro beneficio que va más allá del Apple Watch: el puerto USB-C del nuevo iPhone Air. Mediante la creación de un puerto totalmente nuevo con una carcasa de titanio impresa en 3D con el mismo polvo de titanio reciclado, Apple pudo hacer realidad su diseño increíblemente delgado sin comprometer la durabilidad.
Esta es la magia que ocurre cuando la ley de la física, la innovación de materiales, un diseño inigualable y un compromiso inclaudicable hacia el medio ambiente se alinean detrás de un mismo objetivo.
“Tenemos un compromiso ineludible con el cambio sistémico”, señaló Chandler. “Nunca hacemos algo para hacerlo sólo una vez: lo hacemos para que se convierta en el nuevo funcionamiento de todo el sistema. Nuestro norte ha sido siempre diseñar productos que sean mejores para las personas y para el planeta. Cuando nos reunimos para innovar sin comprometer nuestros objetivos de diseño, fabricación y medio ambiente, los beneficios son exponencialmente mayores de lo que podemos imaginar”.
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